大多數(shù)PLC中都有為閉環(huán)控制算法的專用指令，即PID指令。它是唯一一條直接用于過(guò)程控制的指令。它看起來(lái)不算復(fù)雜，但是用起來(lái)的效果卻常常不盡善盡美。為了分析疑問(wèn)，但又不借助太多的數(shù)學(xué)，我們通過(guò)一個(gè)十分簡(jiǎn)單而又最直觀的具體例子，花較多的篇幅來(lái)介紹怎樣用PLC控制器實(shí)現(xiàn)有效地控制。
在此之前，需注意以下事項(xiàng)。
(1) PID控制是一種從反饋控制的理念出發(fā)，原本由模擬器件實(shí)施的，一種僅限于單進(jìn)單出對(duì)象的控制技巧。因?yàn)榭梢栽趯?duì)被控對(duì)象的特性知之甚少的條件下使用，因而適應(yīng)性較廣，使用方便，不失為一種通用的閉環(huán)控制技巧。但是，除非對(duì)象的特性（其中主要是它的線性和動(dòng)靜特性）較簡(jiǎn)單，否則控制的效果欠佳。
(2)它的3個(gè)控制參數(shù)，即放大系數(shù)Kp、積分時(shí)間Ti和微分時(shí)間Td的選用，固然在表面上他們有明白的單干，但是現(xiàn)實(shí)上又互相攪擾，所以正確設(shè)置很不容易，需求細(xì)心調(diào)試和經(jīng)驗(yàn)的積累。
同時(shí)又因?yàn)閷?duì)控制效果的要求，并非惟有一個(gè)統(tǒng)一的尺度。例如有的有望能用較強(qiáng)力的手段（控制參數(shù)），而且可以容忍被控參數(shù)有較大的顛簸，但是要求能盡快地趨于穩(wěn)定。反之，有的有望能用較平易的手段，可以容忍被控參數(shù)逐步地趨于穩(wěn)定，但是要求它盡可能地沒(méi)有明顯的顛簸。有的系統(tǒng)對(duì)被控參數(shù)的最終精度（余差）有一定要求，有的則要求不高?？傊瑧?yīng)對(duì)不同的要求，應(yīng)該使用不同的控制參數(shù)。普通都有一個(gè)不小的變更局限，并非有一個(gè)組唯一的最好參數(shù)。
(3)原本由模擬器件進(jìn)行的PID算法，現(xiàn)在改由PLC來(lái)實(shí)現(xiàn)數(shù)字離散算法。在表面上可以證實(shí)，其效果PLC決不會(huì)超過(guò)前者，而且還必須開(kāi)始確定一個(gè)多出來(lái)的參數(shù)——采樣時(shí)間。常使用戶難以下手。
我們僅從最根基的道理出發(fā)，大致預(yù)計(jì)一下采樣時(shí)間。反饋控制系統(tǒng)的根基頭腦是按照反饋回歸的偏差進(jìn)行調(diào)整。也即是說(shuō)，若反饋來(lái)的偏差沒(méi)有變更，我們的控制也暫時(shí)不必改變。否則是沒(méi)有憑據(jù)的，盲目的，效果也是值得懷疑的。辣么是什么原因使偏差沒(méi)有變更呢？我們先說(shuō)一種最好的情況，即是系統(tǒng)已經(jīng)穩(wěn)定了。已經(jīng)在當(dāng)前的條件下實(shí)現(xiàn)了控制目標(biāo)。也許并不美滿（有余差），但是它盡力了。其次是被控制對(duì)象有明顯的純滯后，即前次調(diào)控的效果，尚來(lái)不及闡揚(yáng)出來(lái)。所以我們就可以將這純滯后時(shí)間作為采樣時(shí)間。最后一種情況是，該系統(tǒng)中使用的測(cè)量通道有限的分辯力（或因模擬測(cè)量系統(tǒng)靈敏度的限制，或A/D轉(zhuǎn)換器的位數(shù)有限，而使數(shù)據(jù)沒(méi)有變。）使得讀入的數(shù)字沒(méi)有變。所以我們可以憑據(jù)預(yù)算出的或?qū)崪y(cè)的最小“不變時(shí)間”作為參考，來(lái)初步?jīng)Q意采樣時(shí)間。再考慮到為保全燈號(hào)的采樣定律，可將“不變時(shí)間”之半設(shè)定為采樣周期的下限。不要盲目地認(rèn)為采樣周期越小，控制效果越好，而浪費(fèi)系統(tǒng)資源。
采樣時(shí)間根基定下之后，普通可以用定時(shí)中斷的技巧來(lái)實(shí)現(xiàn)控制周期。若應(yīng)用程序執(zhí)行時(shí)，掃描時(shí)間變更不大，最好將PLC的掃描時(shí)間設(shè)為定值模式。采樣時(shí)間設(shè)定為PLC掃描時(shí)間的整數(shù)倍。用計(jì)數(shù)的辦法來(lái)決意采樣時(shí)間。
(4)設(shè)定放大系數(shù)Kp是當(dāng)采樣時(shí)間Ts決意之后，必須設(shè)定的第二個(gè)重要參數(shù)。也是可能令初學(xué)者宛若無(wú)從下手的事情。固然在有關(guān)“控制道理”的種種書(shū)籍中，對(duì)于怎樣設(shè)定放大系數(shù)Kp有許多精密的論證、計(jì)較、仿真和工程技巧。但是我們現(xiàn)在的情況明顯地不同于普通通用條件下的研究?，F(xiàn)在面對(duì)的是一個(gè)已經(jīng)正確設(shè)計(jì)好的，工藝要求已經(jīng)十分明白的，硬件配置完整的PLC控制系統(tǒng)。有許多參數(shù)及條件是我們已知的，應(yīng)該加以行使。下面艾特貿(mào)易小編介紹一種具備現(xiàn)場(chǎng)可操縱性的、十分簡(jiǎn)單的入門(mén)技巧，僅供參考。
我們?cè)?jīng)介紹過(guò)廣義對(duì)象的概念，其回路圖如圖3-3所示。這里，它的輸入來(lái)自于PID的數(shù)字輸出，用GDI表示。而它的輸出則是傳感器經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換之后，被PLC讀入的數(shù)字量，用GDO表示。即便我們對(duì)被控對(duì)象特性的打聽(tīng)有限，但是既然系統(tǒng)的輸入和輸出通道硬件都已經(jīng)設(shè)計(jì)好，辣么DI、GDI、GDO這些數(shù)字的變更局限以及最大值就都是已知的。例如，若測(cè)量被控參數(shù)的傳感器輸出，經(jīng)10位A/D轉(zhuǎn)換后被PLC讀入，它的局限是0～1023，其最大值DSM為1023。同樣由PLC送出的GDI，其局限以及最大值都是已知的，它的最大值用DIM表示。
系統(tǒng)在事情時(shí)，偏差△=SPL-GDO，除非系統(tǒng)已經(jīng)完全穩(wěn)定，而且沒(méi)有余差，也即是說(shuō)暫時(shí)不必調(diào)節(jié)。否則對(duì)于一個(gè)能夠穩(wěn)定的系統(tǒng)，能夠測(cè)量出的最小偏差值是1，所以可以肯定，放大系數(shù)Kp一定小于控制器的最大輸出數(shù)DIM。否則由△×Kp計(jì)較出的DI，將會(huì)登時(shí)超出DI容許的最大值DIM。這將處于飽和狀況，實(shí)質(zhì)上變成了開(kāi)環(huán)狀況，是我們所不有望的。再考慮到正常事情時(shí)，被控參數(shù)出現(xiàn)的偏差大多為傳感度量程的10%左右，也即是GDO的最大值DSM的10%左右。所以可以進(jìn)一步預(yù)計(jì)，放大系數(shù)Kp小于10×DIM/DSM。
它即是我們初步預(yù)計(jì)出的、可用的放大系數(shù)的值。作為調(diào)試用的第一個(gè)放大系數(shù)，普通可取最大值的0.5～1，即Kp=(5～10)×DIM/DSM。
這種輕便的工程參數(shù)整定法十分簡(jiǎn)單，讀者不妨一試。若有望進(jìn)一步得到較好的控制質(zhì)量，可對(duì)放大系數(shù)進(jìn)行0.618模式搜索。
這種現(xiàn)場(chǎng)可操縱的技巧適用于普通的對(duì)象，也即是純延時(shí)不太大，對(duì)象特性不因時(shí)間而有較大的改變，輸入和輸出比例系數(shù)變更不十分明顯的對(duì)象。用較為職業(yè)的術(shù)語(yǔ)稱為“無(wú)明顯的純滯后，非時(shí)變的線性系統(tǒng)”。要求較高的讀者，請(qǐng)進(jìn)一步參考相關(guān)的控制表面。
(5)在開(kāi)始調(diào)試時(shí)，為了能盡快掌握，可以僅設(shè)定控制器的放大系數(shù)（增益）Kp，暫時(shí)不使用微分和積分功效，也即是將微分時(shí)間常數(shù)設(shè)為0，而將積分時(shí)間常數(shù)設(shè)得盡可能地大。待調(diào)試根基勝利后，再憑據(jù)需求增加其余功效。普通情況下，可用2～3倍采樣時(shí)間Ts作為微分時(shí)間Td，5～10倍微分時(shí)間作為積分時(shí)間Ti。兩條準(zhǔn)則：積分只能收縮系統(tǒng)的余差（最終精度），對(duì)其余控制質(zhì)量有害無(wú)益。微分可改進(jìn)控制的動(dòng)靜性能，提高控制質(zhì)量，但過(guò)分時(shí)可能引發(fā)振蕩，降低抗攪擾能力。再提醒一句，微分時(shí)間越長(zhǎng)，微分作用越強(qiáng)；積分時(shí)間越短，積分作用越強(qiáng)。
(6)在前面計(jì)較放大系數(shù)時(shí)，我們用的是最大值。但是運(yùn)轉(zhuǎn)中GDI和GDO的變更量△GDI和△GDO，它們?cè)臼强烧韶?fù)的。當(dāng)其比值為正時(shí)，稱為正特性對(duì)象，應(yīng)使用PID的正作用算法。反之．稱為負(fù)特性對(duì)象，應(yīng)使用PID的“反作用”算法。用錯(cuò)了，系統(tǒng)就由負(fù)反饋?zhàn)兂闪苏答仯赡軐?dǎo)致失控的緊張后果。
(7) PID算法可分為位置式和增量式兩種。PLC中多使用增量式算法，即由PID算出來(lái)的結(jié)果，是這一次掃描后的輸出變更量?，F(xiàn)實(shí)的輸出，還要加上前一次掃描后的輸出值。
(8)調(diào)試控制系統(tǒng)時(shí)，應(yīng)該隨時(shí)注意控制系統(tǒng)中的每一個(gè)環(huán)節(jié)是否事情在正常局限以內(nèi)。這里主要有兩方面的疑問(wèn)應(yīng)該注意：①被控對(duì)象的事情是否超出容許的局限。例如，電動(dòng)機(jī)是否超速？物料是否會(huì)從容器溢出或被抽干？等等。所以建議在進(jìn)行PID系統(tǒng)調(diào)試之前，應(yīng)該開(kāi)始編制并測(cè)試好系統(tǒng)的護(hù)衛(wèi)程序，并投入正常運(yùn)轉(zhuǎn)。②在PLC內(nèi)籌辦用來(lái)作為控制輸出的數(shù)字量，也即是PID計(jì)較出的輸出數(shù)，是否超出有效局限？例如，用來(lái)輸出到12位D/A模塊的數(shù)字量，大于4095。必將導(dǎo)致輸失足誤。即便計(jì)較出的數(shù)字量超出4095時(shí)，強(qiáng)行改成4095后再送到D/A模塊，這樣模塊固然不失足，但是整個(gè)控制系統(tǒng)則由原來(lái)的閉環(huán)變成了開(kāi)環(huán)。燈號(hào)的傳遞被阻塞，成為了不可控的系統(tǒng)。這在設(shè)定的放大系數(shù)過(guò)大，或是出現(xiàn)“積分飽和”時(shí)可能會(huì)經(jīng)常遇到。所以在設(shè)定運(yùn)轉(zhuǎn)參數(shù)時(shí)，要避免出現(xiàn)這種情況。
(9)用離散算法實(shí)施PID控制，并非計(jì)較機(jī)的剛強(qiáng)。我們應(yīng)該進(jìn)一步發(fā)揮它的長(zhǎng)處，避免其不足。取代模擬器件的算法軟件，在鑒別、選定、寄放和各類計(jì)較功效方面，具備明顯的優(yōu)勢(shì)。所以在有條件時(shí)，盡可能地使用種種其余更有效、更直觀的算法作為補(bǔ)充，如數(shù)字濾波、前饋算法、變結(jié)構(gòu)算法、變參數(shù)算法、自適應(yīng)和自學(xué)習(xí)算法、模糊控制算法等，計(jì)較機(jī)在這方面顯然有明顯的優(yōu)勢(shì)。
